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            eagleyard 冷原子的光泵磁力仪方案
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            产品简介

                  微弱磁场探测作为一种不可替代的有效手段,被广泛应用在包括航空航天,地理勘测,精密工业制造等关系到国计民生的重要领域。综合考虑灵敏度及工程易用性的要求,激光光泵磁力仪方案是一种非常理想的选择。

                 本光源方案采用平台化技术设计架构,具备强大的波长可拓展性,可提供767nm, 770nm, 780nm, 795nm, 852nm, 894nm 等波长,应用于基于钾,铷,铯碱金属原子的激光光泵磁力仪产品。


            方案介绍

                  下图为激光光泵磁力仪的光源原理图。为了保证磁力仪的检测灵敏度,激光光泵磁力仪的光源必须要具有很好的频率稳定度,功率稳定度以及优化设计的光束直径。因此,激光光泵磁力仪光源应包括准直整形,偏振分束,饱和吸收稳频光路以及相应的高精度电流控制,温度控制和稳频电路。另外,如果需要将稳频激光光束通过光纤传输到磁力仪探头以避免光源自身磁场对探测结果的干扰,还需要使用光纤耦合光路及后续的光纤准直扩束光路。

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            核心器件( ( 技术) ) 选择

                  我们实际定型的分布反馈半导体激光器来自于德国 eagleyard Photonics公司。eagleyard 公司的分布反馈半导体激光器系列产品可提供对应钾、铷、铯以及氦原子的 767nm ,780nm ,795nm,852nm,894nm 以及 1083nm。下图为 eagleyard 公司 852nm DFB 激光管的 TO3 封装样式和典型光谱图,该款型号DFB激光管输出功率高达150mW,且能精确调谐至铯原子D2线852.347nm。

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            流控和温控电路

                  驱动此类分布反馈半导体激光管的电流控制电路必须要具有软启动,ESD吸收以及低电流噪声的特性,且能在外界环境温湿度变化以及震动冲击条件下保证平稳的输出;而分布反馈半导体激光管的温度控制电路需要保证尽可能高的控温精度,通过热电致冷器将激光芯片的温度精确锁定在工作温度点,以保证分布反馈半导体激光管输出频率的稳定性。


            稳频控制电路

                  为了保证激光光泵磁力仪的性能,需要将分布反馈半导体激光管的频率精确锁定在碱金属原子超精细共振谱线上并保证长短时频率稳定度,单靠高精度电流驱动和温度控制电路不能无法胜任该频率锁定要求,需要采用外部主动稳频技术。

                  在一体化稳频光源中,我们使用的饱和吸收谱稳频技术基于德国 TEMMesstechnik GmbH 公司经过多年应用验证的 LaseLock 和 CoSy 饱和吸收谱稳频技术平台,并将其小型化并进行工程可靠性提升。该饱和吸收谱稳频技术平台具有“锁边”、“锁峰”功能及双路 PID 电路,且支持失锁-再锁定功能,能够保证分布反馈激光管频率失锁后重新找回目标锁定频率并再锁定;该饱和吸收谱稳频技术平台的光路设计也非常巧妙和紧凑,在简单可靠的前提下输出有效信号。


            规格和指标

                  以用于激光光泵铯原子磁力仪的 894nm 一体化稳频光源为例,通过将前述核心器件和技术方案进行工程化集成,最终定型的用于的激光光泵磁力仪的一体化稳频光源的规格为 165mm x 102mm x 91mm,激光光源相干长度大于 10m,保偏光纤输出功率为7mW, 输出波长为894.6nm且长时频率稳定度为500kHz。其供电及内部电路控制均通过单一控制接口,上电即可工作。下图为 894nm 一体化激光稳频光源的外观示意图。

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                   除了用于激光光泵铯原子磁力仪的 894nm 一体化稳频光源外,利用同样的技术方案,我们还将波长拓展到 767nm,770nm,780nm,794nm,852nm,可以用于基于钾原子、铷原子的激光光泵磁力仪方案。



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